8051

问：如何在 8051 单片机上编程一个阻塞延迟函数？

大家可能熟悉Arduino IDE 中的 delay() 函数。这是一个简单的函数，它提供了一个适用于Arduino 微控制器系列中所有成员的阻塞延迟。当你过渡到裸机微控制器编程时，你可能会发现自己在寻找类似的代码。不幸的是，你不太可能在8051 “标准库”中找到这样一个延迟函数。

在本文中，我们将简要探讨硬件延迟方法，然后使用一组严格定义的假设提出 8051 Busy Bee 解决方案。

这种明显的 delay() 遗漏的最大原因可能是灵活性。了解 Arduino 代码控制了底层微控制器的很大一部分。时钟速度和专用计时器都是预定义的，隐藏在后台。这种隐藏的一致性允许简单的编程体验，delay() 函数在所有平台上执行相同。否则需要 Arduino 程序员对外设的体系结构和操作有大量的了解。这样的行为违背了 Arduino 为初学者和业余爱好者提供可访问性的目的。

在典型的 8051 环境中，情况就大不相同了。没有什么是隐藏的，你通常需要配置所有必要的外围设备。你还可以负责时钟，并可以自由选择高速外部，内部，32.678 kHz 甚至深度睡眠，只有看门狗计时器定期唤醒微控制器。这些选项中的每一个都会损坏甚至停止一个函数，如 delay() 按预期运行。

找到一份 Busy Bee 参考手册，让我们开始吧。

技术贴士：术语阻塞意味着微控制器的主代码在整个延迟期间被阻塞(什么都不做)。对于小的延迟和简单的问题，这通常是可以接受的，但可能导致不可接受的操作。例如，当阻塞延迟正在进行时，微控制器将对按钮按下无响应。这个问题的替代方案包括中断和非阻塞延迟。

许多延迟选项是可用的

让我们首先认识到，在微控制器中构造延迟函数的方法有很多种。一个简短的列表可能包括:

以 NOP (什么都不做指令)为特征的精心构造的汇编代码。在这里，程序员将根据每个汇编命令的特征计算微控制器的时钟周期。
带有矢量中断的硬件定时器。与延迟相关的操作可以嵌入到中断服务例程( ISR )中，或者中断可以维持类似于 Arduino millis() 函数的系统时间。
免费运行硬件定时器而不中断。这里硬件定时器是不断运行的。这类似于看一个带模数60运算的挂钟。假设当前时间是50秒，而你想要一个20秒的延迟。然后你会一直等到秒针到达10秒。在 8051 中，这样的解决方案将根据选择的计时器类型对 256 或 25536 取模。操作的“速度”取决于系统时钟和定时器的预量程配置。
不使用中断的受控硬件定时器。使用这种方法，用户程序将停止定时器，预加载定时器到一个已知值，启用定时器，并等待溢出发生。

每种方法都有优点和缺点。选择在很大程度上取决于单个项目的需求、程序员的技能、未来的可维护性以及可用的硬件资源。例如，如果项目需要一致的心跳，带有矢量中断的硬件计时器就是一个非常好的解决方案。这种精确的周期性定时对于比例积分导数控制器或使用 DAC 生成波形来说是很好的。

阻塞延迟

在这篇文章中，我们将介绍一个使用无中断硬件计时器的解决方案。回想一下，微控制器的硬件计时器通常就像时钟的秒针一样计数。在此代码开发中使用的 Silicon Labs 的 EFM8BB1 8051 具有一个定时器集合，其中包括四个16位通用硬件定时器，向后兼容标准 8051。

16位定时器具有模数2^16运算。与从0到60计数的时钟一样，16位计时器在回滚到 0 之前也会从 0计数到 65535。这个溢出事件是特殊的，因为硬件会自动设置一个中断标志。这个操作建议在高度简化的图1框图中。

图 1 : Busy Bee 定时器 #2 的简化框图。

技术贴士：外设的中断标志不会自动启动中断。只有在中断或扩展中断使能电阻中设置了相关的中断使能位时，它才会这样做。

这个中断标志是本文所附代码中描述的阻塞延迟的关键。延时的操作描述如下:

将合适预售和模式的定时器分别配置为 1:1 和16位自动重载。还要使用sbit操作符别名运行控制和中断标志。这些操作在while(1)超级循环之前执行一次。
关闭定时器并清除中断标志。
用期望的延迟值加载计时器。
启用计时器的运行位。
在 while 循环中旋转(什么都不做)，直到中断标志。此操作将阻塞所有其他 main() 代码，直到设置该标志。

技术提示：最初的8051是一个独特的架构，能够在位级寄存器上操作。这导致了快速的代码，而不需要使用掩码来选择寄存器内的特定位。这是使用Keil C51 特殊功能寄存器（Sbit）汇编器语句完成的。

在EFM8BB1等衍生产品中保留了这种向后能力。然而，较新的产品比最初的8051包含了更多的外设和相关的SFRs。不幸的是，并非所有的寄存器都是位可寻址的。只有以0x0或0x8结尾的寄存器才能使用这种方便快捷的位操作。仔细查看参考手册，可以发现地址为0xC8的TMR2CN0是位可寻址的。

调用和数字开销

在结束本文之前，我们需要考虑与调用函数和计算重载值相关的开销。例如，这一小段代码带来了一个严重的问题:

tmr_load = -((n_us * 49) >> 1);

它试图聪明地解释每微秒24.5个时钟节拍。它没有使用float类型来解释半比特，而是先乘以49，然后使用右移操作除以2;一个为高位，一个为低位，带进位。

最后一步是用216减去装弹值。简写就是对结果求反。换一种说法，在模65536环境中，65536 - x提供的答案与0 - x相同，因为65536 = 0(模65536)。这和60 = 0(模60)的时钟是一样的。

在下一行代码中，我们将100添加到tmr_load变量中。这是一个粗略的方法，用于计算函数调用开销以及计算tmr_load所需的时间。回想一下，Busy Bee没有硬件乘法器。因此，通过8位ALU执行8位乘16位乘法需要时间。

这个函数开销的一个牺牲品是接受小延迟的能力。它的开销大约为4us，因此不可能延迟更小的东西。如果需要这些小延迟，应该使用前面提到的带有NOP操作的手工编码汇编程序。

真实世界的结果如图2所示，我们看到一个引脚为5 us高，5 us低，然后又高。对于相关的blk_ms_delay也获得了类似的结果，其中blk_ms_delay(2000)的调用在0.01 ms内，由 Digilent 的 471-060 （Analog Discovery）测量。你是否同意阻塞函数提供了合理的性能?